Trhliny a dutiny v betóne a spôsoby ich odstránenia

Vysoká pevnosť, dobrá tvarovateľnosť a hospodárnosť robí z betónu dominantný stavebný materiál na zhotovenie stavebných konštrukcií. Jednou zo zvláštností tohto univerzálneho materiálu je praskanie. V dôsledku uvoľňujúceho sa hydratačného tepla a vplyvu teploty vonkajšieho vzduchu pri betonáži vznikajú trhliny. Tieto faktory možno vo fáze plánovania len ťažko zohľadniť. Trhliny môžu vznikať v betóne akéhokoľvek veku. Priamym dôsledkom nesprávnej betonáže sú dutiny.

Trhliny v betóne
Betónový stavebný dielec nie je možné z hľadiska efektívnosti nákladov vyrobiť úplne bez trhlín. Rovnako sa nedá vo fáze plánovania úplne zohľadniť vynútené namáhanie stavebnej konštrukcie. Zohľadňované predpoklady sa môžu meniť. Preto v praxi nejde o to, aby sa ich vzniku úplne zabránilo, ale aby sa obmedzili na neškodnú dimenziu, šírku. Základom dimenzovania železobetónu je zohľadnenie kombinácie všetkých možných vplyvov. V matematickom hodnotení sa však nepripúšťa nijaká exaktná predpoveď a obmedzenie šírky trhlín. Betón môže praskať už v prvých dňoch po betonáži, ak vzniknutým hydratačným teplom a ochladením povrchu nastáva pnutie. Slabinami v homogénnej betónovej štruktúre sú napríklad pracovné škáry, ktoré k praskaniu betónu prispievajú.

Mikrotrhliny, povrchové trhliny alebo deliace trhliny ovplyvňujú vlastnosti betónu rozličným spôsobom (obr. 1). Mikrotrhliny, ktoré na povrchu betónu nie je možné vidieť, ovplyvňujú pevnostné vlastnosti betónu iba nepatrne. Aj napriek ich malej šírke ≤ 0,01 mm a dĺžke v rozpätí od 50 do 100 mm však môžu viesť k dva- až trinásobným hodnotám permeability v zóne trhlín, a tak prispievať k presakovaniu vody do betónu. Povrchové trhliny prechádzajú z povrchu konštrukcie iba do minimálnych hĺbok. Široké však môžu byť aj niekoľko milimetrov. Ich výskyt v betónovej krycej vrstve má na nosnosť a vodotesnosť (nepriepustnosť) betónu zanedbateľný vplyv. Pri určitom expozičnom zaťažení však treba ochranu výstuže betónu proti korózii kriticky zhodnotiť. Deliace trhliny postihujú veľké časti prierezov stavebného dielca alebo stavebný dielec úplne pretínajú. Tak sa preruší prenos síl v betóne.

Obr. 1 Druh trhlín v betóne vzhľadom na prierez stavebným dielcom

Hĺbka trhliny < prierez stavebným dielcom
mikrotrhliny	povrchové trhliny	deliace trhliny (neprechádzajú celým prierezom)
deliace trhliny s konštantnou šírkou	deliace trhliny s rozličnou šírkou	pretlačená deliaca trhlina

Trhliny znižujú účinnú hrúbku stavebného dielca, a tým aj nosnosť alebo vodotesnosť betónu. Na obnovenie predpokladaných vlastností betónu sa musia trhliny, ktoré presahujú prístupnú mieru, uzavrieť. Za prípustné sa vo všeobecnosti považujú trhliny so šírkou do 0,3 mm a pri stavebných objektoch s vyššou expozíciou namáhania trhliny so šírkou 0,2 mm a menšie.

Dutiny v betóne
Dutiny sú porušené miesta v štruktúre stavebného materiálu, vznikajúce v priebehu betonáže. Ich príčinou môže byť nevhodné uloženie betónu, príliš veľká výška, z ktorej čerstvý betón dopadá do debnenia, nedostatočné zhutnenie a podobne. Súvislosť medzi betonárskymi zábermi a vznikom štrkových hniezd možno vidieť na obr. 2. Na výstavbu tunelu sa použilo nevhodné kamenivo z blízkeho okolia stavby. Tvar zŕn tohto kameniva zapríčinil jeho zlé zhutnenie.

Obr. 2 Porušené miesta a hrubozrnné zhluky v miestach betonárskych záberov na stenách tunela	Obr. 3 Prevlhnutý betón (vybavený pakrami)

Nehomogénny betón sa môže rovnako koncentrovane vyskytovať na styčných plochách betónu s výstužou. V dôsledku tesne uloženej výstuže, vibrácií výstuže pri zhutňovaní betónu, sadania čerstvého betónu alebo podobných vplyvov sa môže strácať spojenie medzi oceľou a betónom. V takto porušenej konštrukcii nastáva transport vody. Dutiny, ktoré vzniknú pri výstavbe, sa vo všeobecnosti vyskytujú len v obmedzenom priestore. S rastúcim rozpínaním sa zvyšuje prestup vody konštrukciou, takže na nej možno pozorovať veľké prevlhnuté plochy (obr. 3).

Zisťovanie trhlín a dutín
Utesnenie trhlín a dutín prepúšťajúcich vodu si vyžaduje použitie špeciálnych utesňovacích injektážnych systémov. Sanačné práce sa musia plánovať a vykonávať odborným spôsobom a s ohľadom na špecifické podmienky danej situácie. Pri plánovaní injektáže konkrétneho objektu treba stanoviť cieľ, druh výplne, injektážny tlak, usporiadanie pakrov, množstvo výplne a vplyv na okolité prostredie.

Na posúdenie priepustnosti betónových konštrukcií spôsobenej trhlinami je dôležité poznať okrem príčiny vzniku trhlín aj ich určité charakteristiky, a to šírku trhlín, hĺbku trhlín (zahŕňa druh trhliny), priebeh trhlín, zmenu šírky trhlín (krátkodobá, denná, dlhodobá), stav trhlín (predovšetkým stav vlhkosti), predchádzajúce opatrenia (ak sa nejaké realizovali) a prístupnosť.

Charakteristiky trhliny možno zistiť čiastočne vizuálne. Podhľad stropnej konštrukcie na obr. 4, ktorý je zhora vystavený iba poveternostným vplyvom, vykazuje sieť deliacich trhlín. Vizuálne možno rozpoznať koncentráciu trhlín. Šírka trhlín je evidentne minimálna. Vzhľadom na tvorbu stalaktitov možno občasné pretekanie vody cez trhliny a zmenu ich šírky vylúčiť. V prípade trvalého zaťaženia trhlín vodou alebo pri ich pohyboch by sa stalaktity nemohli vytvoriť. Príčinou tvorby trhlín bola záťaž opornou konštrukciou nad doskou. Oprava popraskaného stropu tejto ochrannej konštrukcie nie je nevyhnutná, pretože nie je ohrozená stabilita (minimálna šírka trhlín, bez stôp korózie, neškodná expozícia). Inak by sa však musela situácia zhodnotiť, ak by išlo o strechu parkovacieho domu, v prípade ktorého sa s vodou dostávajú do betónu aj chloridy.

Obr. 4 Obraz trhlín na stropnom podhľade s výraznými charakteristikami	Obr. 5 Trhliny na ostení tunela s rozličnými stavmi vlhkosti

Ďalším príkladom je trhlina na ostení tunela, ktorou preteká voda (obr. 5). V tomto prípade nastali pravdepodobne deformácie viacvrstvového stavebného objektu. Výstuž nedokázala preniesť ťahové napätia z neplánovanej kombinácie vplyvov zaťaženia a tlaku. Na utesnenie stavebného objektu s cieľom dodržať vlastnosti betónu bolo nevyhnutné realizovať injektážne opatrenia.

Vizuálne posúdenie treba v niektorých prípadoch doplniť jadrovými vrtmi. Vzorky získané jadrovými vrtmi majú jednoznačnú vypovedaciu schopnosť. Bolo to tak aj v prípade trhlín viditeľných na povrchu konštrukcie, ktoré nemali pravouhlý priebeh smerom do hĺbky. Odber vzoriek jadrovým vrtom ukázal, že trhliny mali v hĺbke neočakávaný priebeh (obr. 6).

Obr. 6 Priebeh trhlín z povrchu smerom dovnútra steny	Obr. 7 Obmedzenie využívania priestoru v priemyselnom objekte spôsobené trhlinami

Na základe toho možno konštatovať, že ak má byť injektáž účinná, musí sa usporiadanie pakrov vždy prispôsobiť reálnemu priebehu trhlín.

Dôkazom toho, že sa musia zohľadniť všetky okrajové podmienky, sú trhliny, ktoré vznikli na zvislej a vodorovnej konštrukcii priemyselného objektu (obr. 7). Pri výstavbe sa postupovalo na základe plánovacieho konceptu prevzatého z analogického projektu. Základové pomery na novom mieste výstavby sa však dostatočne nezohľadnili. Dôsledkom bola silná tvorba trhlín na stene a podlahe. Tu možno zreteľne rozpoznať stopy po prieniku vody. Pravidelne sa opakujúce trhliny na stenách ukazujú na súvislosť s fázami betonáže. Možno pozorovať koróziu výstuže, ktorá je rozpoznateľná na základe hrdzavých škvŕn na povrchu konštrukcie.

V prípade deliacej trhliny spôsobenej vodou sú nevyhnutné injektážne opatrenia na vytvorenie vodonepriepustnej konštrukcie (obr. 8).

Lokalizácia dutín sa začína vizuálnym posúdením betónového povrchu. Podrobnejšie posúdenie sa realizuje iba v prípade podozrenia, ak sa na betónovom povrchu rysujú napríklad prevlhnuté miesta. Poruchu štruktúry možno zistiť po odbere jadrových vrtov a ich posúdení v laboratóriu. Získané výsledky sú však platné len pre miesta, z ktorých sa vzorky odobrali. Ak sú tieto výsledky nepostačujúce na komplexné zhodnotenie stavu konštrukcie, možno vykonať dodatočný odber vzoriek. Dodatočný odber vzoriek vrtného jadra na posúdenie porúch štruktúry betónu a rovnako na stanovenie pevnosti v tlaku by sa však mal z dôvodu jeho deštruktívneho účinku obmedziť na reprezentatívne vzorky. Ako alternatívu, prípadne na doplnenie možno realizovať endoskopiské vyšetrenie cez vŕtané otvory s menším priemerom alebo použiť niektorú z nedeštruktívnych metód.

Zo známych skúšobných metód bez deštrukčného účinku možno uviesť napríklad rádiolokačnú a ultrazvukovú metódu. V stavebníctve sa úspešne používa impulzová rádiolokácia, a to na zistenie štruktúry železobetónu. Impulznou rádiolokáciou možno v mnohých prípadoch lokalizovať porušené miesta, napríklad štrkové hniezda. Chyby zhutnenia na výrazne prevlhnutých stavebných dielcoch s tesne uloženou výstužou možno určiť ultrazvukovou metódou. Pretože rádiolokačná aj ultrazvuková metóda sú nepriamymi metódami merania, je nevyhnutné ich na kalibráciu výsledkov doplniť cieleným dodatočným odberom vzoriek vrtného jadra.

Pri zisťovaní dutín by sa mali zistiť charakteristiky ako poloha a rozmery dutín, priechodnosť pre výplňový materiál, stav (predovšetkým stav vlhkosti) a opatrenia, ktoré sa už realizovali (ak sa nejaké realizovali).
Spôsob a rozsah zisťovania dutín sa riadi druhom dutín. Betón bohatý na dutiny možno injektovať iba v prípade, že dutiny vykazujú veľkú mieru priechodnosti, prepojenosti. Priechodnosť je dôležitá z pohľadu možnosti šírenia injektážneho materiálu v stavebnom dielci. Ak sú dutiny spojené iba najmenšími kapilárami, ktoré neumožňujú injektážnym prostriedkom dostatočný rádius šírenia, nebude injektáž úspešná. V týchto prípadoch sa odporúča realizovať injektáž do základovej pôdy za rubom stavebného dielca.

Injektáž trhlín cez pakre
Injektáž je metóda, pomocou ktorej sa injektážny materiál vnáša pod tlakom do stavebného dielca. Existuje nízkotlaková injektáž s injektážnym tlakom do 10 barov a vysokotlaková injektáž s injektážnym tlakom až niekoľko stoviek barov. Pri injektáži proti vode treba zvyčajne použiť vysoký injektážny tlak. Aby sa zabránilo poškodeniu štruktúry betónu, nesmie sa prekročiť ťahová pevnosť betónu. V zásade platí, že najlepší výsledok injektovania možno dosiahnuť dlhším časom injektáže pri nízkom tlaku.

Obr. 9 Jednozložková injektážna pumpa MC-I 500	Obr. 10 Dvojzložková injektážna pumpa MC-I 700

Ako vysokotlakové injektážne zariadenia sa používajú piestové a membránové pumpy. Pracujú buď na jednozložkovom princípe (1-K-pumpa, obr. 9), alebo na dvojzložkovom princípe (2-K-pumpa, obr. 10). Pri použití jednozložkovej injektážnej pumpy sa zložky injektážneho materiálu zmiešajú pred injektážou.
Pri použití dvojzložkovej pumpy sa jednotlivé zložky injektážneho materiálu nasávajú a dopravujú cez pumpu oddelene. Zmiešajú sa krátko pred ich výstupom z injektážnej pištole (obr. 11).

Prístup k trhline alebo k stavebnému dielcu a pripojenie injektážnej pumpy sa zabezpečuje lepenými alebo vŕtanými pakrami. Lepené pakre sa lepia nad trhliny a celá oblasť medzi pakrami sa dočasne povrchovo utesňuje. Lepené pakre môžu byť kovové alebo plastové. Lepený spoj medzi pakrom a stavebným dielcom významne ovplyvňuje úspech injektáže. Závisí od odtrhovej pevnosti betónu, vlastnej pevnosti betónu a vlastností lepidla. Lepené pakre odolávajú injektážnemu tlaku v rozsahu asi 50 až 60 barov. V závislosti od šírenia injektážneho materiálu v trhline sa lepené pakre umiestňujú vo vzdialenosti rovnajúcej sa hĺbke trhliny priamo na povrch prebiehajúcej trhliny (obr. 12).

Vŕtané pakre sa kotvia mechanicky vo vyvŕtaných otvoroch. Vyvŕtané otvory fungujú ako injektážne kanály, ktoré križujú injektovanú trhlinu. Ak sú kanále na trhlinu vyvŕtané pod uhlom 45° a ich vzdialenosti od trhliny zodpovedajú približne polovičnej hĺbke trhliny, možno sa domnievať, že trhlina bude s dostatočnou istotou zasiahnutá v jej polovičnej hĺbke. Vzájomná vzdialenosť vyvŕtaných kanálov má rovnako zodpovedať polovici hĺbky trhliny (obr. 13). Na základe skúseností možno tieto princípy aplikovať v prípade stavebných dielcov s hrúbkou do 60 cm. S narastajúcou šírkou trhliny sú však možné aj väčšie hĺbky prienikov.

Obr. 12 Usporiadanie lepiacich pakrov na deliacej trhline	Obr. 13 Usporiadanie vŕtaných pakrov na deliacej trhline	Obr. 14 Principiálne usporiadanie vŕtaných pakrov v rastri

Väčšinou sa používajú vŕtané pakre, ktoré sa vo vyvŕtanom kanáli kotvia pevne a tesne rozpínaním tesniacej gumy. Tento druh pakrov poskytuje aj pri vysokom injektážnom tlaku dostatočnú funkčnú bezpečnosť. Iným druhom vŕtaných pakrov sú zatĺkacie pakre. Tieto pakre sa zarážajú do vyvŕtaných otvorov. Priemer vyvŕtaného otvoru musí byť menší ako vonkajší priemer zatĺkacieho pakra. Tak sa paker pri zarazení vďaka jeho deformácii a treciemu odporu zakotví vo vyvŕtanom otvore. Pri zlom ukotvení, napríklad nerovnomerne vytvarovanom otvore, môžu pakre vplyvom vysokého injektážneho tlaku náhle zlyhať.

Povrchové dočasné utesnenie trhlín je nevyhnutné, ak existuje nebezpečenstvo, že by mohol injektážny materiál zo stavebného dielca vytekať. Pri injektáži pomocou lepiacich pakrov je dočasné povrchové utesnenie trhlín nutné vždy.

Injektovanie sa v zásade realizuje cez pakre zdola nahor alebo pri horizontálnom priebehu jednosmerne tak dlho, kým z vedľajšieho pakra nevyteká injektážny materiál a kým sa nespotrebuje plánované množstvo alebo sa nedosiahne maximálne prípustný injektážny tlak. Dôkazom šírenia plniaceho materiálu stavebným dielcom je výtok materiálu z vedľajšieho pakra.

Proces injektáže pozostáva z hlavnej injektáže a dodatočnej injektáže (doinjektáže), realizovanej v priebehu spracovania injektážneho materiálu. Dodatočná injektáž je nevyhnutná na doplnenie mate­riálu, ktorý vnikol do kapilárneho systému betónu alebo nekontrolovateľne odtiekol. Ak sa pri tesniacej injektáži proti tlakovej vode môže vyplavovať nevytvrdnutý injektážny materiál, je nutné použiť iný mate­riál s rýchlym vytvrdením. Rýchle vytvrdenie možno kombinovať so znížením tlaku vody. Možno ho dosiahnuť napríklad pred­injektážou trhliny rýchlopeniacou živicou pred samotným utesnením elastomérovými živicami.

Reakcia rozmiešaných injektážnych živíc sa začína po iniciačnom čase danom reakčným tvrdidlom. V priebehu tohto iniciačného času ostáva tekutosť takmer konštantná. Po uplynutí tohto času (v prípade bežných injektážnych živíc je to v závislosti od teploty niekoľko minút) sa začína reakcia tvrdnutia so značným nárastom viskozity. Zároveň sa zhoršuje injektovateľnosť. Na injektáž jednozložkovou injektážnou pumpou je preto nevyhnutný minimálny čas spracovateľnosti asi 20 minút, ktorý je obmedzený dosiahnutím viskozity 1 000 mPa . s. Minerálna suspenzia vykazuje podstatne dlhší čas spracovateľnosti. V priebehu času spracovateľnosti v trvaní asi 1 až 4 hodiny však treba čeliť (chemickým alebo fyzikálnym spôsobom) prirodzenému sklonu spojiva k sadaniu.

Injektáž dutín cez pakre
Injektáž dutín sa v zásade realizuje pomocou vŕtaných pakrov. Ich plošné usporiadanie prebieha v rastri rozmiestnenom nad poškodeným miestom (obr. 14). Potrebná hĺbka vyvŕtaných otvorov sa musí stanoviť podľa spôsobu poškodenia a rovnako prispôsobiť danému miestu. Injektážny tlak v priebehu realizácie musí byť obmedzený vo väčšej miere ako pri injektáži trhlín. Pôsobením injektážneho materiálu môže totiž v stavebnom dielci vzniknúť plošne pôsobiaci tlak.

Ak sa použijú reakčné živice, musí sa preveriť vplyv injektážneho materiálu na pevnosť stavebného dielca. Na injektáž dutín nie sú veľmi vhodné injektážne peny zastavujúce vodu, pretože zabraňujú účinnému utesneniu dutín nepeniacou, trvalo tesnou živicou. Na prienik materiálu do dutiny vyplnenou vopred penou je nutný vysoký injektážny tlak, ktorý môže stavebný dielec poškodiť.

Injektážne materiály, injektážne pumpy a príslušenstvo sa používajú rovnako ako pri injektáži trhlín, pričom možno upustiť od povrchového dočasného utesnenia. Povrchové dočasné utesnenie možno realizovať v prípade veľkého výtoku materiálu z povrchových priesakov. Prednostne sa na to používajú minerálne materiály (napríklad rýchlotvrdnúci rozpínavý cement).

Záver
Aj napriek dokonale realizovaným stavebným prácam sa pri betónovej stavebnej konštrukcii nemožno vyvarovať neplánovanej tvorbe trhlín, na rozdiel od dutín. Základom úspešnej injektáže, ktorej cieľom je trvalá oprava a utesnenie poškodenej štruktúry stavebného dielca, je správny výber injektážneho materiálu.

TEXT: Dipl.-Ing. Holger Graeve
FOTO: MC-Bauchemie

Dipl.-Ing. Holger Graeve pracuje ako produktový manažér v oblasti injektážnych technológií v spoločnosti MC-Bauchemie GmbH.

Literatúra
1.    STN EN 1504-5: 2005 Výrobky a systémy na ochranu a opravu betónových konštrukcií. Definície, požiadavky, riadenie kvality a hodnotenie zhody. Časť 5: Injektáž betónu.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.